가드링 구조 변화에 따른 CMOS 기반 Silicon Single Photon Avalanche Diode 특성 분석 Guard Ring dependent Performance Analysis of CMOS based Silicon Single Photon Avalanche Diodes원문보기
단일 광자 애벌런치 다이오드 (Single photon avalanche diode: SPAD)는 애벌런치 포토다이오드 (Avalanche photodiodes: APD)와 같이 역 바이어스 (Reverse bias)된 상태에서 입사된 광자에 의해 애벌 런치를 일으키는 방식으로 작동한다. 1890년대부터 연구가 시작되어, 1970년대 이래로 SPAD가 빠르게 광자를 감지하기 때문에, ...
단일 광자 애벌런치 다이오드 (Single photon avalanche diode: SPAD)는 애벌런치 포토다이오드 (Avalanche photodiodes: APD)와 같이 역 바이어스 (Reverse bias)된 상태에서 입사된 광자에 의해 애벌 런치를 일으키는 방식으로 작동한다. 1890년대부터 연구가 시작되어, 1970년대 이래로 SPAD가 빠르게 광자를 감지하기 때문에, LIDAR, 형광 수명 현미경 및 광학 통신, Time of Flight3D이미징, PET스캐닝 등과 같은 다양한 어플리케이션 분야에서 널리 사용되고 있다 [1, 2]. 2000년 초반부터 SPAD는 CMOS 프로세스로 제조되기 시작하였다. 이로 인해, DCR, jitter 등과 같은 성능들이 향상되었다. 또한 기존의 실리콘 기반의 CMOS 프로세스로 제조된 SPAD는 저비용으로 제조 가능하다는 장점을 가지고 있다. 그러나 에지브레이크다운이 일어날 수 있다는 단점을 지니고 있다 [3]. 따라서 가드링이 필요하다. 본 논문에서는 가드링을 포함하여 접합의 깊이 등 소자의 성능을 향상시킬 수 있도록, 공정이 이루어지기 전 TCAD 시뮬레이션을 통하여 SPAD의 성능을 향상시켰다. 뿐만 아니라, SPAD는 주변 환경의 온도 안정성이 요구되는 광학 거리 센서와 같은 자동차 어플리케이션에도 적용된다. 따라서 온도 변화에 대한 소자의 전기 및 열 특성을 분석할 필요가 있다. 그리고 quenching 회로를 포함한 소자 전체의 특성을 분석해야 한다. 이 논문에서는 p-well 가드링 구조, STI 가드링 구조, p-well 및 STI 하이브리드 가드링 구조의 전기적 및 열적 실험을 통해 온도에 따른 특성변화와 DCR 및 PDP의 특성 변화를 연구하였다. 또한, ATLAS technology computer-aided design (TCAD) 시뮬레이션을 기반으로 측정된 소자와 함께 연구하였다.
단일 광자 애벌런치 다이오드 (Single photon avalanche diode: SPAD)는 애벌런치 포토다이오드 (Avalanche photodiodes: APD)와 같이 역 바이어스 (Reverse bias)된 상태에서 입사된 광자에 의해 애벌 런치를 일으키는 방식으로 작동한다. 1890년대부터 연구가 시작되어, 1970년대 이래로 SPAD가 빠르게 광자를 감지하기 때문에, LIDAR, 형광 수명 현미경 및 광학 통신, Time of Flight 3D 이미징, PET 스캐닝 등과 같은 다양한 어플리케이션 분야에서 널리 사용되고 있다 [1, 2]. 2000년 초반부터 SPAD는 CMOS 프로세스로 제조되기 시작하였다. 이로 인해, DCR, jitter 등과 같은 성능들이 향상되었다. 또한 기존의 실리콘 기반의 CMOS 프로세스로 제조된 SPAD는 저비용으로 제조 가능하다는 장점을 가지고 있다. 그러나 에지 브레이크다운이 일어날 수 있다는 단점을 지니고 있다 [3]. 따라서 가드링이 필요하다. 본 논문에서는 가드링을 포함하여 접합의 깊이 등 소자의 성능을 향상시킬 수 있도록, 공정이 이루어지기 전 TCAD 시뮬레이션을 통하여 SPAD의 성능을 향상시켰다. 뿐만 아니라, SPAD는 주변 환경의 온도 안정성이 요구되는 광학 거리 센서와 같은 자동차 어플리케이션에도 적용된다. 따라서 온도 변화에 대한 소자의 전기 및 열 특성을 분석할 필요가 있다. 그리고 quenching 회로를 포함한 소자 전체의 특성을 분석해야 한다. 이 논문에서는 p-well 가드링 구조, STI 가드링 구조, p-well 및 STI 하이브리드 가드링 구조의 전기적 및 열적 실험을 통해 온도에 따른 특성변화와 DCR 및 PDP의 특성 변화를 연구하였다. 또한, ATLAS technology computer-aided design (TCAD) 시뮬레이션을 기반으로 측정된 소자와 함께 연구하였다.
Single photon avalanche diode (SPAD) is a solid-state single-photon detector which can detect low-intensity signals and the photon arrival time with high temporal resolution. SPAD is used for various applications such as light detection and ranging (LIDAR), laser range finder, fluorescence
Single photon avalanche diode (SPAD) is a solid-state single-photon detector which can detect low-intensity signals and the photon arrival time with high temporal resolution. SPAD is used for various applications such as light detection and ranging (LIDAR), laser range finder, fluorescence correlation spectroscopy (FCS), fluorescence lifetime imaging (FLIM) and positron emission tomography (PET). The silicon (Si) based SPAD can be fabricated with a small size and low manufacturing cost. In addition, it has many advantages such as a fast time response and a low noise. Therefore, Si-based complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) processed SPAD is widely used. Moreover, the CMOS processed SPAD array can be used as a monolithically integrated chip and quenching circuit. Consequently, it has an advantage that the device size can be decreased. SPAD is used by being exposed to an external environment, as LIDAR need to be operated stably in various countries and external environment with varying temperatures. However, the various operating conditions can cause the characteristic variations of SPAD. Therefore, the device reliability of the SPAD characteristics impacted by thermal stress should be researched prior to the high-volume manufacturing. CMOS SPAD structure has a problem of the edge breakdown, despite many advantages. The electric field at the junction edges of the active area can cause premature edge breakdown in the SPAD structures. Thus, the guard ring is necessary to prevent the edge breakdown and many researchers have been examining various guard ring techniques. One type of the guard ring is fabricated using the shallow trench isolation (STI) technique. Since the dielectric strength of SiO2 is much larger than the dielectric strength of Si, it restricts the electric field and can work as a guard ring. Here, the effects of p-well and STI guard ring on the SPAD are analyzed in terms of electrical and thermal characteristics. Many researchers have been studying the device parameters, such as the dark count rate (DCR) and the photon detection efficiency (PDE) that are generated noise by the electrical and thermal influences. However, the study on the device effect of the guard ring structure on electrical and thermal characteristics has not been investigated. In this thesis, the effect of different guard ring structures on the SPAD electrical and thermal characteristic variations are investigated. ATLAS technology computer-aided design (TCAD) simulation is also performed to analyze various devices. Three different SPAD test structures, such as p-well guard ring, shallow trench isolated (STI) guard ring, and hybrid type of p-well and STI guard ring are fabricated for the comparison of the guard ring effects. With various temperature conditions ranging from the room temperature (300K) to 400K, the electrical characteristics including the breakdown voltage (VBR), on current (ION), and off current (IOFF) are measured and analyzed to compare with the effects of different guard ring structures and function of device is studied by measuring the DCR and PDP.
Single photon avalanche diode (SPAD) is a solid-state single-photon detector which can detect low-intensity signals and the photon arrival time with high temporal resolution. SPAD is used for various applications such as light detection and ranging (LIDAR), laser range finder, fluorescence correlation spectroscopy (FCS), fluorescence lifetime imaging (FLIM) and positron emission tomography (PET). The silicon (Si) based SPAD can be fabricated with a small size and low manufacturing cost. In addition, it has many advantages such as a fast time response and a low noise. Therefore, Si-based complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) processed SPAD is widely used. Moreover, the CMOS processed SPAD array can be used as a monolithically integrated chip and quenching circuit. Consequently, it has an advantage that the device size can be decreased. SPAD is used by being exposed to an external environment, as LIDAR need to be operated stably in various countries and external environment with varying temperatures. However, the various operating conditions can cause the characteristic variations of SPAD. Therefore, the device reliability of the SPAD characteristics impacted by thermal stress should be researched prior to the high-volume manufacturing. CMOS SPAD structure has a problem of the edge breakdown, despite many advantages. The electric field at the junction edges of the active area can cause premature edge breakdown in the SPAD structures. Thus, the guard ring is necessary to prevent the edge breakdown and many researchers have been examining various guard ring techniques. One type of the guard ring is fabricated using the shallow trench isolation (STI) technique. Since the dielectric strength of SiO2 is much larger than the dielectric strength of Si, it restricts the electric field and can work as a guard ring. Here, the effects of p-well and STI guard ring on the SPAD are analyzed in terms of electrical and thermal characteristics. Many researchers have been studying the device parameters, such as the dark count rate (DCR) and the photon detection efficiency (PDE) that are generated noise by the electrical and thermal influences. However, the study on the device effect of the guard ring structure on electrical and thermal characteristics has not been investigated. In this thesis, the effect of different guard ring structures on the SPAD electrical and thermal characteristic variations are investigated. ATLAS technology computer-aided design (TCAD) simulation is also performed to analyze various devices. Three different SPAD test structures, such as p-well guard ring, shallow trench isolated (STI) guard ring, and hybrid type of p-well and STI guard ring are fabricated for the comparison of the guard ring effects. With various temperature conditions ranging from the room temperature (300K) to 400K, the electrical characteristics including the breakdown voltage (VBR), on current (ION), and off current (IOFF) are measured and analyzed to compare with the effects of different guard ring structures and function of device is studied by measuring the DCR and PDP.
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